Ioniserende stråling (et unøjagtigt synonym med en bredere betydning - stråling ) - strømme af fotoner og andre elementære partikler eller atomkerner, der kan ionisere stof .
Ioniserende stråling omfatter ikke synligt lys og ultraviolet stråling , som i nogle tilfælde kan ionisere et stof. Infrarød stråling og stråling fra radiobånd er ikke ioniserende, da deres energi ikke er nok til at ionisere atomer og molekyler i grundtilstanden [1] [2] [3] [4] [5] .
Maling med uran og andre radioaktive materialer blev brugt længe før begyndelsen af vores æra, men deres stråling var så lille, at den ikke kunne bemærkes. Et stort skridt i opdagelsen af radioaktivitet blev taget af den tyske kemiker Martin Heinrich Klaproth i 1789. Han fik et mørkt ukendt stof fra harpiksmalm og kaldte det Uranus, selvom det med tiden viste sig, at det ikke var rent uran, men dets oxid [6] [7] . I 1804 opdagede kemikeren Adolf Gehlen lysfølsomheden af en opløsning af uranylchlorid i ether, denne effekt interesserede ham, men han kunne ikke give ham en egentlig forklaring, så denne opdagelse gik så ubemærket hen i det videnskabelige samfund [8] . Beviset for ioniserende stråling var opdagelsen i 1860'erne af katodestråler (strømme af elektroner accelereret i et vakuumrør af højspænding). Røntgenstråler var den næste type ioniserende stråling, der blev opdaget ( Wilhelm Roentgen , 1895). I 1896 opdagede Henri Becquerel en anden type ioniserende stråling - usynlige stråler udsendt af uran, der passerer gennem et tæt uigennemsigtigt stof og oplyser en fotografisk emulsion (i moderne terminologi - gammastråling) [9] [10] . Som et resultat af yderligere undersøgelser af fænomenet radioaktivitet, blev det opdaget ( Ernest Rutherford , 1899), at der som følge af radioaktivt henfald udsendes alfa-, beta- og gammastråler, som adskiller sig i en række egenskaber, især i elektrisk ladning. Efterfølgende blev andre typer ioniserende stråling, der opstår under det radioaktive henfald af kerner, opdaget: positroner, konvertering og Auger-elektroner, neutroner, protoner, fissionsfragmenter, klynger (lette kerner udsendt under klyngehenfald ). Kosmiske stråler blev opdaget i 1911-1912.
De mest betydningsfulde typer af ioniserende stråling er: [1] [2] [11] [12]
Naturlige kilder til ioniserende stråling [11] [12] [13] :
Kunstige kilder til ioniserende stråling:
Mange stabile atomer omdannes til ustabile isotoper ved bestråling og den tilsvarende inducerede nukleare reaktion . Som følge af en sådan eksponering bliver et stabilt stof radioaktivt, og typen af sekundær ioniserende stråling vil være forskellig fra den oprindelige eksponering. Denne effekt er mest udtalt efter neutronbestråling.
I processen med nuklear henfald eller fusion skabes nye nuklider, som også kan være ustabile. Resultatet er en kæde af nukleare transformationer. Hver transformation har sin egen sandsynlighed og sit eget sæt af ioniserende stråling. Som følge heraf kan intensiteten og arten af strålingen fra en radioaktiv kilde variere betydeligt med tiden.
Historisk set var de første sensorer til ioniserende stråling kemiske lysfølsomme materialer, der blev brugt til fotografering . Ioniserende stråling oplyste en fotografisk plade placeret i en uigennemsigtig konvolut. De blev dog hurtigt opgivet på grund af processens længde og omkostninger, kompleksiteten af udvikling og lavt informationsindhold.
Som sensorer for ioniserende stråling i hverdagen og industrien er dosimetre baseret på geigertællere mest udbredt . En geigertæller er en gasudladningsanordning, hvor ioniseringen af en gas ved stråling omdannes til en elektrisk strøm mellem elektroderne. Som regel registrerer sådanne enheder kun gammastråling korrekt. Nogle enheder er udstyret med et specielt filter , der konverterer betastråling til gammastråler på grund af bremsstrahlung. Geigertællere vælger dårligt stråling med hensyn til energi, til dette bruger de en anden type gasudladningstæller, den såkaldte. proportional tæller .
Der er halvledersensorer til ioniserende stråling . Princippet for deres drift ligner gasudladningsanordninger med den forskel, at halvledervolumenet mellem to elektroder er ioniseret. I det enkleste tilfælde er dette en omvendt forspændt halvlederdiode . For maksimal følsomhed er sådanne detektorer af betydelig størrelse. [fjorten]
Scintillatorer har været meget brugt i videnskaben . Disse enheder omdanner strålingsenergi til synligt lys ved at absorbere stråling i et særligt stof. Lysglimt registreres af et fotomultiplikatorrør . Scintillatorer adskiller strålingen godt med energi.
For at studere strømmene af elementære partikler bruges mange andre metoder til mere fuldstændigt at udforske deres egenskaber, for eksempel et boblekammer , et skykammer .
Effektiviteten af interaktionen af ioniserende stråling med stof afhænger af typen af stråling, partiklernes energi og tværsnittet for interaktionen af det bestrålede stof. Vigtige indikatorer for samspillet mellem ioniserende stråling og stof:
I det internationale system af enheder (SI) er den absorberede dosisenhed den grå (russisk betegnelse: Gy, international: Gy), numerisk lig med den absorberede energi på 1 J pr. 1 kg af massen af et stof. Nogle gange er der en forældet ikke-systemisk enhed rad (russisk betegnelse: rad; international: rad): en dosis svarende til den absorberede energi på 100 erg pr. 1 gram af et stof. 1 rad = 0,01 Gy . Den absorberede dosis må ikke forveksles med den tilsvarende dosis .
Det forældede koncept for eksponeringsstrålingsdosis er også meget brugt - en værdi, der viser, hvilken ladning der skaber foton- (gamma- eller røntgenstråling) pr. volumenhed luft . For at gøre dette bruger de normalt en off-system enhed af eksponeringsdosis roentgen (russisk betegnelse: R; international: R): dosis af fotonstråling, der danner ioner med en ladning på 1 enhed. CGSE-ladning ((1/3)⋅10 −9 coulomb ) i 1 cm³ luft. SI-systemet bruger enheden coulomb pr. kilogram (russisk betegnelse: C/kg; international: C/kg): 1 C/kg = 3876 R; 1 Р = 2,57976⋅10 −4 C/kg [15] .
Aktiviteten af en radioaktiv kilde til ioniserende stråling er defineret som det gennemsnitlige antal nukleare henfald pr. tidsenhed. Den tilsvarende SI-enhed er becquerel (russisk betegnelse: Bq; international: Bq) angiver antallet af disintegrationer pr. sekund. Den ikke-systemiske enhed af curie bruges også (russisk betegnelse: Ki; international: Ci). 1 Ki \u003d 3,7⋅10 10 Bq . Den oprindelige definition af denne enhed svarede til aktiviteten af 1 g radium-226 .
Korpuskulær ioniserende stråling er også karakteriseret ved partiklernes kinetiske energi. For at måle denne parameter er den mest almindelige ikke-systemiske enhed elektronvolt (russisk betegnelse: eV, international: eV). Som regel genererer en radioaktiv kilde partikler med et bestemt energispektrum. Strålingssensorer har også uensartet følsomhed over for partikelenergi.
Ifølge mekanismen for interaktion med stof skelnes direkte strømme af ladede partikler og indirekte ioniserende stråling (strømme af neutrale elementære partikler - fotoner og neutroner). Ifølge dannelsesmekanismen - primær (født i kilden) og sekundær (dannet som et resultat af samspillet mellem en anden type stråling med stof) ioniserende stråling.
Energien af ioniserende strålingspartikler spænder fra flere hundrede elektronvolt (røntgenstråler, betastråling af nogle radionuklider) til 10 15 -10 20 elektronvolt og højere (kosmiske strålingsprotoner, for hvilke der ikke er fundet nogen øvre energigrænse).
Vejlængden og gennemtrængningskraften varierer meget - fra mikrometer i et kondenseret medium (alfastråling af radionuklider, fissionsfragmenter) til mange kilometer (højenergiske kosmiske strålemyoner ).
Langvarig eksponering for corpuskulær stråling eller ultrahøjenergi fotonstråling kan ændre strukturelle materialers egenskaber væsentligt. Ingeniørdisciplinen for strålingsmaterialevidenskab beskæftiger sig med studiet af disse ændringer . Den gren af fysikken, der studerer faste stoffers opførsel under bestråling, kaldes strålingsfaststoffysik . [16] De mest betydningsfulde typer af strålingsskader er:
Regnskab for strålingsskader på tekniske strukturer er mest relevant for atomreaktorer og halvlederelektronik designet til at fungere under strålingsforhold.
Moderne halvlederteknologier er følsomme over for ioniserende stråling [17] [18] [19] [20] . Ikke desto mindre er de meget udbredt inden for militær- og rumteknologi og i den nukleare industri. I dette tilfælde anvendes en række teknologiske, kredsløbs- og softwareløsninger, der reducerer konsekvenserne af strålingseksponering.
De vigtigste typer af strålingsskader, der fører til engangs- eller irreversible fejl i halvlederenheder:
Ioniserende stråling kan forårsage kemiske omdannelser af stof. Sådanne transformationer studeres ved strålingskemi . Under påvirkning af ioniserende stråling kan sådanne transformationer forekomme, for eksempel [21] :
Forskellige typer af ioniserende stråling har forskellige destruktive virkninger og forskellige måder at påvirke biologiske væv på. Følgelig svarer den samme absorberede dosis til forskellig biologisk effektivitet af stråling. Derfor, for at beskrive virkningerne af stråling på levende organismer, introduceres begrebet relativ biologisk effektivitet af stråling . For ladede partikler er den biologiske effektivitet direkte relateret til den lineære energioverførsel af en given type partikler (gennemsnitligt energitab med en partikel pr. enhedsvejlængde af en partikel i væv).
For at tage højde for den biologiske effekt af den absorberede dosis blev der indført en ækvivalent dosis ioniserende stråling, numerisk lig med produktet af den absorberede dosis og strålingsvægtningsfaktoren . For røntgen-, gamma- og betastråling tages koefficienten til 1. For alfastråling og nukleare fragmenter er koefficienten 20. Neutroner - 5 ... 20, afhængig af energien. I SI-systemet måles effektiv og ækvivalent dosis i sievert (russisk betegnelse: Sv ; international: Sv ).
Tidligere var den ækvivalente dosisenhed rem meget brugt (fra den biologiske ækvivalent af røntgen til gammastråling; russisk betegnelse: rem ; international: rem ). Oprindeligt blev enheden defineret som en dosis ioniserende stråling, der producerer den samme biologiske effekt som dosis af røntgen- eller gammastråling, svarende til 1 R. Efter vedtagelsen af SI-systemet begyndte rem at blive forstået som en enhed svarende til 0,01 J / kg . 1 rem = 0,01 Sv = 100 erg /g [23] .
Ud over biologisk effektivitet er det nødvendigt at tage hensyn til strålingens gennemtrængende kraft. For eksempel har tunge kerner af atomer og alfapartikler en ekstremt kort vej i ethvert tæt stof, så radioaktive alfakilder er farlige, ikke når de udsættes for ekstern stråling, men kun når de kommer ind i kroppen. Omvendt har gammastråling en betydelig gennemtrængende kraft.
Nogle radioaktive isotoper er i stand til at integrere sig i en levende organismes metaboliske proces og erstatte stabile elementer. Dette fører til tilbageholdelse og ophobning af radioaktivt materiale direkte i levende væv, hvilket markant øger risikoen for kontakt. For eksempel er jod-131 , isotoper af strontium , plutonium osv. almindeligt kendt.For at karakterisere dette fænomen bruges begrebet halveringstid af en isotop fra kroppen.
Direkte virkning af ioniserende stråling er et direkte hit af ioniserende partikler i de biologiske molekylære strukturer af celler og i flydende (vandige) medier i kroppen.
Indirekte eller indirekte virkning - virkningen af frie radikaler som følge af ionisering skabt af stråling i kroppens og cellernes flydende medier. Frie radikaler forårsager skade på integriteten af kæder af makromolekyler ( proteiner og nukleinsyrer ), hvilket kan føre til både massecelledød og carcinogenese og mutagenese . De mest modtagelige for ioniserende stråling er aktivt delende (epitel-, stam- og embryonale) celler.
Efter indvirkning af stråling på kroppen, afhængigt af dosis, kan der opstå deterministiske og stokastiske radiobiologiske effekter . For eksempel er tærsklen for debut af symptomer på akut strålesyge hos mennesker 1-2 Sv for hele kroppen.
I modsætning til deterministiske har stokastiske effekter ikke en klar dosistærskel for manifestation. Med en stigning i strålingsdosis øges kun hyppigheden af manifestation af disse effekter. De kan optræde både mange år efter bestråling ( maligne neoplasmer ), og i efterfølgende generationer ( mutationer ) [25] .
Hovedkilden til information om de stokastiske virkninger af eksponering for ioniserende stråling er data fra observationer af helbredet for mennesker, der overlevede atombomber eller strålingsulykker . Specialister observerede 87.500 overlevende fra atombomben. Deres gennemsnitlige eksponeringsdosis var 240 millisievert . Samtidig udgjorde væksten af onkologiske sygdomme i de efterfølgende år 9%. Ved doser på mindre end 100 millisievert har ingen i verden påvist forskelle mellem den forventede og observerede forekomst i virkeligheden. [26]
Rationering udføres i henhold til sanitære regler og forskrifter SanPin 2.6.1.2523-09 " Strålingssikkerhedsstandarder (NRB-99/2009) ". Dosisgrænser for den effektive dosis er fastsat for følgende kategorier af personer:
De vigtigste dosisgrænser og tilladte eksponeringsniveauer for gruppe B-personale er lig med en fjerdedel af værdierne for gruppe A-personale.
Den effektive dosis for personalet bør ikke overstige 1000 mSv for arbejdsperioden ( 50 år ) og 70 mSv for den generelle befolkning for hele livet . Planlagt øget eksponering er kun tilladt for mænd over 30 år med deres frivillige skriftlige samtykke efter at være blevet informeret om mulige eksponeringsdoser og sundhedsrisici.
Ioniserende stråling bruges i forskellige industrier:
Det internationale konventionelle tegn på strålingsfare ("trefoil", "fan") har form af tre sektorer 60 ° brede, med en afstand på 120 ° i forhold til hinanden, med en lille cirkel i midten. Det er udført i sort på gul baggrund.
I Unicode - tegntabellen er der et strålingsfaresymbol - ☢ (U+0x2622).
I 2007 blev der vedtaget et nyt strålingsfareskilt, hvor "strefoil" blev suppleret med skiltene "dødelig" (" kranie og korsknogler ") og "gå væk!" (silhuet af en løbende mand og en pegende pil). Det nye skilt er beregnet til at blive mere forståeligt for dem, der ikke er bekendt med betydningen af den traditionelle "trefoil".
Nogle videnskabsmænd forsøger at udvikle et system med langsigtede advarsler om atomaffald, som ville blive forstået af mennesker tusinder af år senere [33] .
Baggrunden for ioniserende stråling (eller baggrundsstråling) er den samlede stråling fra naturlige og menneskeskabte kilder [34] [35] .
I Rusland udføres strålingsovervågning af miljøet af den føderale tjeneste Roshydromet og statsselskabet Rosatom [36] . På internationalt plan er den videnskabelige komité for virkningerne af atomisk stråling (SCEAR) i De Forenede Nationer engageret i at indsamle information og vurdere virkningen af radioaktiv stråling på mennesker og miljø .
Hovedkomponenterne i den naturlige (naturlige) strålingsbaggrund er kosmiske stråler og stråling fra radionuklider af terrestrisk oprindelse, allestedsnærværende i jordskorpen [37] .
Ifølge UNSCEAR-data er verdens gennemsnitlige effektive dosishastighed fra kosmiske stråler (inklusive sekundær neutronstråling) på jordens overflade uden for beskyttelsesrum 0,036 µSv/h [38] . Med en stigning i højden over havets overflade ændres denne værdi væsentligt og kan i flyvezonen for civil luftfart ( 9–12 km ) være 5–8 μSv/h . Baseret på dette når den effektive dosis fra virkningen af kosmiske stråler under en transatlantisk flyvning fra Europa til Nordamerika 30-45 μSv [39] . Derudover afhænger dosishastigheden af den betragtede stråling af den geomagnetiske breddegrad og tilstanden af den 11-årige cyklus af solaktivitet . Bidraget fra hver af de to faktorer til strålingsdosishastigheden er omkring 10 % [40] .
Den anden væsentlige komponent i den naturlige strålingsbaggrund er γ-stråling fra radionuklider af terrestrisk oprindelse såsom 40 K og henfaldsprodukter af uranium -238 og thorium-232 ( 226 Th , 228 Ac , 214 Pb , 214 Bi ) [41] [ 41] 42] . Den gennemsnitlige effektive dosishastighed fra ekstern eksponering for disse radionuklider, afhængig af regionen, ligger i området fra 0,030 til 0,068 µSv/h [43] . Som undtagelser er der regioner i verden med en øget naturlig strålingsbaggrund på grund af tilstedeværelsen af monazitsand med et højt indhold af thorium (byerne Guarapari i Brasilien, Yangjiang i Kina, staterne Kerala og Madras i Indien, Nildeltaet i Egypten), vulkansk jord (staten Minas-Gerais i Brasilien, øen Niue i Stillehavet) eller tilstedeværelsen af radium-226 i ferskvand ( Ramsar by i Iran) [44] .
Ifølge data fra Roshydromet [45] i Den Russiske Føderation er eksponeringsdosishastigheden for γ-stråling (ERD) [Note 1] hovedsageligt inden for grænserne for fluktuationer i den naturlige baggrundsstråling ( 9-16 μR/h ) .
Overskridelsen af DER-værdier blev registreret i de territorier, der var forurenet efter Tjernobyl-ulykken i Bryansk, Kaluga, Kursk, Oryol og Tula-regionerne i området 19-25 μR/h . I 100 km-zonen af radiokemiske virksomheder og atomkraftværker observeres kortvarige stigninger i DER op til 20 μR/h , dog ligger de gennemsnitlige årlige værdier inden for baggrundsudsvingene - 9-14 μR/h .
Den gennemsnitlige årlige effektive dosis modtaget af en person og på grund af naturlige faktorer er 2400 μSv , dette tal, udover ekstern eksponering fra de kilder, der er diskuteret ovenfor, inkluderer intern eksponering fra radionuklider, der kommer ind i menneskekroppen med luft, mad og vand (i alt 1500 μSv ) [52] . For nylig har menneskeskabt eksponering i udviklede lande nærmet sig bidraget fra naturlige kilder. Samtidig er dosis fra medicinsk forskning og terapi ved brug af kilder til ioniserende stråling 95 % af den samlede menneskeskabte strålingseksponering for mennesker [53] .
Ordbøger og encyklopædier | ||||
---|---|---|---|---|
|